Исследование влияния сформированного каталитического слоя на электродах твердооксидных топливных элементов на их электрохимические характеристики

С развитием малой энергетики и децентрализованного энергоснабжения растет интерес к схемам энергоснабжения на основе твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). Цель работы — исследование влияния сформированного каталитического слоя на электродах ТОТЭ на электрохимические характеристики элементов. Для создания слоя применяли вертикально ориентированные нанотрубки (ВОУНТ), на поверхность которых равномерно напыляли материал катализатора. Показано, что значительное увеличение активной площади поверхности катализатора вследствие сформированного таким образом слоя способствует существенному ускорению электрохимических процессов на трехфазной границе зоны реакции в ТОТЭ. В итоге повышается мощность топливных элементов. Кроме того, за счет повышенной химической стойкости, эффективного отвода тепла и структурной прочности ВОУНТ увеличивается ресурс работы ТОТЭ. Предложены метод и автоматизированная система контроля и создания каталитического слоя на электродах ТОТЭ. Проведенные исследования подтвердили значительный прирост удельной мощности и количества циклов включения-выключения топливных ячеек без потери мощности по сравнению с ячейками, полученными традиционными способами. Полученные результаты могут быть использованы для развития энергетических технологий, прежде всего в области альтернативных источников энергии, и совершенствования твердотельных энергоустановок.

1. Shawe R. Reversible fuel cells: a comprehensive analysis of challenges, opportunities, and regulatory perspectives / J. Power Energy Eng. 2025. Vol. 13. No. 6. P. 1 – 18. DOI: 10.4236/jpee.2025.136001

2. Mohideen M., Liu Y., Ramakrishna S. Recent progress of carbon dots and carbon nanotubes applied in oxygen reduction reaction of fuel cell for transportation / Appl. Energy. 2020. Vol. 257. P. 114027. DOI: 10.1016/j.apenergy.2019.114027

3. Yu W., Song H., Jeong Y., Park T., Cha S. Carbon nanotube sheet as a current collector for low-temperature solid oxide fuel cells / Ceram. Int. 2023. Vol. 49 No. 14. P. 24077 – 24083. DOI: 10.1016/j.ceramint.2023.04.157

4. Luo C., Xie H., Wang Q., Luo G., Liu C. A review of the application and performance of carbon nanotubes in fuel cells / J. Nanomater. 2015. No. 1. P. 560392. DOI: 10.1155/2015/560392

5. Penner S., Götsch T., Klötzer B. Increasing complexity approach to the fundamental surface and interface chemistry on SOFC anode materials / Accounts Chem. Res. 2020. Vol. 53. No. 9. P. 1811 – 1821. DOI: 10.1021/acs.accounts.0c00218

6. Naouar A., Ferrero D., Santarelli M., et al. Numerical study of electrode permeability influence on planar SOFC performance / Int. J. Hydrogen Energy. 2024. Vol. 78. P. 189 – 201. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2024.06.274

7. Liu C., Wang C., Kei C., Hsueh Y., Perng T. Atomic layer deposition of platinum nanoparticles on carbon nanotubes for application in proton-exchange membrane fuel cells / Small. 2009. Vol. 5. No. 13. P. 1535 – 1538.

8. Kennouche D., Fang Q., Blum L., Stolten D. Analysis of the cathode electrical contact in SOFC stacks / J. Electrochem. Soc. 2018. Vol. 165. No. 9. P. F677. DOI: 10.1149/2.0761809jes

9. Petrushenko U. Ya., Suleymanov N. M., Matukhin V. L., et al. On the way to hydrogen energy / Énerget. Tatarstana. 2007. No. 1(5). P. 14 – 23 [in Russian].

10. Murata S., Imanishi M., Hasegawa S., Namba R. Vertically aligned carbon nanotube electrodes for high current density operating proton exchange membrane fuel cells / J. Power Sources. 2014. Vol. 253. P. 104 – 113. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2013.11.073

11. Youn S. C., Jung D. H., Ko Y. K., et al. Vertical alignment of carbon nanotubes using the magneto-evaporation method / J. Am. Chem. Soc. 2009. Vol. 131. No. 2. P. 742 – 748. DOI: 10.1021/ja8073209

12. Pushkarev A. S., Pushkareva I. V., Kozlova M. V., et al. Carbon materials modified with heteroatoms and their use as carriers and electrocatalysts in solid polymer electrolyte fuel cells (review) / Electrokhimiya. 2022. No. 7. P. 325 – 360 [in Russian]. DOI: 10.31857/s0424857022070118

13. Obraztsov D. V., Chernyshov V. N. Active technological control of the thickness and uniformity of spraying of thin / Kontrol. Diagn. 2023. No. 5(299). P. 26 – 33 [in Russian]. DOI: 10.14489/td.2023.05.pp.026-033

14. Wei-Ting Ma S., Rajesh Kumar, Chun-Ting Hsu, et al. Magnetic field-assisted alignment of graphene oxide nanosheets in a polymer matrix to enhance ionic conduction / J. Membr. Sci. 2018. Vol. 563(20118). P. 259 – 269. DOI: 10.1016/j.memsci.2018.05.062

15. Ageev O. A., Ilyin O. I., Kolomiytsev A. S., et al. Determination of the geometric parameters of an array of vertically oriented carbon nanotubes using atomic force microscopy / Nano- Mikrosist. Tekhn. 2012. No. 3(140). P. 9 – 13 [in Russian].

16. Simonenko T. L., Dudorova D. A., Simonenko N. P. Synthesis of two-dimensional NiO nanostructures by combining programmable chemical deposition and hydrothermal treatment / J. Inorg. Chem. 2023. Vol. 68. No. 12. P. 1849 – 1859 [in Russian]. DOI: 10.31857/s0044457x23601591

17. Nikishin T. P., Denisov E. S., Adyutantov N. A. Relaxation processes of solid-polymer hydrogen fuel cell batteries and assessment of their diagnostic properties / Pribory Sist. Kontr. Upravl. Diagn. 2020. No. 7. P. 1 – 12 [in Russian]. DOI: 10.25791/pribor.07.2020.1187

18. Obraztsov D. V., Dutov M. N., Chernyshov V. N. Mathematical modeling of the synthesis of island catalysts for monitoring and controlling the process of their formation on the surface of the electrolyte of solid oxide fuel cells / Proc. of the 3rd Int. Conf. on control systems, mathematical modeling, automation and energy efficiency. — IEEE, 2021. P. 774 – 777. DOI: 10.1109/summa53307.2021.9632062

19. Dutov M., Platenkin A., Chernyshov V. Information-measuring and control system for the synthesis of an island catalyst / S. Sib. Sci. Bull. 2023. No. 4(50). P. 89 – 96 [in Russian].

20. Obraztsov D., Chernyshov V., Dutov M., et al. Active technological control of synthesis of high-active catalysts on the surface of solid electrolytes of fuel elements / J. Phys. Conf. Ser. 2020. P. 012016. DOI: 10.1088/1742-6596/1553/1/012016

21. Lipuzhin I. A., Shalukho A. V., Shuvalova Yu. N. Development of an adaptive control system for an energy plant based on hydrogen fuel cells / Ékol. Sist. Prib. 2024. No. 10. P. 32 – 42 [in Russian]. DOI: 10.25791/esip.10.2024.1478